塔的强度设计资料

1、第六节塔的强度设计特点安装在室外，靠裙座底部的地脚螺栓固定在混凝土基础上。三种工况：正常操作、停工检修、压力试验。轴向强度及稳定性校核的基本步骤：按设计条件，初步确定塔的壁厚和其它尺寸。计算塔设备危险截面的载荷，包括重量、风载荷、地震载荷和偏心载荷等危险截面的轴向强度和稳定性校核。设计计算裙座、基础环板、地脚螺栓等。塔的强度设计的解题思路承受载荷、塔的载荷分析承受载荷由轴向力介质压力1弓起的各种重量地震载荷风载荷偏心载荷介质压力各种重量管道推力包括塔体、塔内件、介质、保温层、操作平台、扶梯等附件的重量V偏心载荷风载荷地震载荷介质压力：包括p工、p水前面已讲质量载荷1包括：m01塔体、裙座质量；

2、m02塔内件如塔盘或填料的质量;m03保温材料的质量；m04操作平台及扶梯的质量；m05操作时物料的质量；ma塔附件如人孔、接管、法兰等质量mw水压试验时充水的质量；m偏心载荷。2区分不同工况分别计算塔设备在正常操作时的质量：m=m+m+m+m+m+m+m（7-13）00102030405ae塔设备在水压试验时的最大质量：m=m+m+m+m+m+m+m（7-14）max01020304wae塔设备在停工检修时的最小质量：m=m+0.2m+m+m+m+m（7-15）min01020304ae偏心载荷定义：塔体上悬挂的再沸器、冷凝器等附属设备或其它附件所引起的载荷。载荷产生的弯矩为：M=mge（7

3、-16）ee式中：g重力加速度，m/s2；偏心距，即偏心质量中心至塔设备中心线间的距离，m；M偏心弯矩，Nm。e风载荷影响：（1）使塔体产生应力和变形；使塔体产生顺风向的振动（纵向振动）使塔体产生垂直于风向的诱导振动（横向振动）；（2）过大的塔体应力会导致塔体的强度及稳定失效；（3）太大的塔体挠度会造成塔盘上流体分布不均，分离效率下降。风载荷的构成：一种随机载荷，大小和方向随时、随地变化；对于顺风向风力，认为由两部分组成（1）平均风力（稳定风力），对结构的作用相当于静力的作用；是风载荷的静力部分，其值等于风压和塔设备迎风面积的乘积。（2）脉动风力（阵风脉动），对结构的作用是动力的作用。是非周期

4、性的随机作用力，它是风载荷的动力部分，会引起塔设备的振动。计算时，折算成静载荷，即在静力基础上考虑与动力有关的折算系数，称风振系数。风力计算P二KKfqlD(7-17)i12ii0iei式中：P塔设备中第i段的水平风力，N；iK体型系数；塔设备中第i计算段的风振系数;1K风压高度变化系数；2if各地区的基本风压，N/m2；iq塔设备各计算段的计算高度(见图7-74),m；0l各地区的基本风压，N/m2；iD塔设备中第i段迎风面的有效直径，m；ei图7-74风载荷计算简图a.基本风压q基本风压q由相应地区的基本风速v0通过下式确定：000q=pv2(7-18)020式中：q基本风压，N/m20空

5、气密度，随当地的高度和湿度而异，kg/m3；v基本风速，随地区、季节及离地面的高度而变化，m/s。0我国设计规范规定：空气密度p根据一个大气压下、10C时干空气密度计算，即p=1.25kg/m3；基本风速v一采用离地面高度10m,30年一遇，10分钟内平均最大风速，查图。0b.高度变化系数力风速或风压随离地面的高度而变化。风速沿高度变化呈指数规律，风压等于基本风压q与高度变化系数的乘积。0i风压高度变化系数fi值随地面的粗糙度类别而不同，见表7-5。V表7-5风压高度变化系数fi地面粗糙度类别距地面咼度Hit/m-ABCD51.171.000.740.62101.381.000.740.621

6、51.521.140.740.62201.631.250.840.62301.801.421.000.62401.921.561.130.73502.031.671.250.84602.121.771.350.93702.201.861.451.02802.271.951.541.11902.342.021.621.191002.402.091.701.271502.642.382.031.612002.832.612.301.92注：A类指近海海面、海岸、海岛、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区。C类指有密集建筑群的城市市区。D类指有密集建筑群且房屋较

7、高的城市市区。c.风压塔高度v10m:按一段计算，以设备顶端的风压作为整个塔设备的均布风压;i塔高度10m：分段计算，每10m分为一计算段，余下的最后一段高度取其实际高度，如图7-74所示。其中任意计算段风压为：q二fq(7-19)ii0式中：q第i段的风压，N/m2。i7|CM1图7-74风载荷计算简图体型系数K1在同样风速条件下，风压在不同体型的结构表面分布不相同对细长圆柱形塔体结构，体型系数K二0.7；1对矩形截面结构，体型系数K二1.0。1风振系数K2i风振系数是考虑风载荷的脉动性质和塔体的动力特性的折算系数。塔的振动会影响风力的大小。当塔设备越高时，基本周期越大，塔体摇晃越大，则反弹

8、时在同样的风压下引起更大的风力。塔高H20m时，K按下式计算：2i2iK2i(7-20)式中：g脉动增大系数，与T1有关，其值按表7-6确定;v第i段的脉动影响系数，与离地面高度有关，由表7-7确定；i0第i段的振型系数，由表7-8查得。zi表7-6脉动放大系数eqT12/(Ns2/m2)10204060801001.471.571.691.771.831.88q1T2/(Ns2/m2)200400600800100020002.042.242.362.462.532.80T12/(Ns2/m2)4000600080001000020000300003.093.283.423.543.914.

9、14注:表中q1为风压，对于B类地区取q1=q。，而对A类取q1=1.38qC类地区q1=0.62qD类地区qO.32qQ；（2）耳为第一自振周期。表7-7脉动影响系数vi高度ht/m粗糙度类别、注：表中hit为塔设备第i计算段顶部截面至地面的高度，m。表7-8振型系数0zi相对高度hjHit振型序号相对高度hjHit振型序号12120.100.020.090.600.46-0.590.200.060.300.700.59-0.320.300.140.530.800.790.070.400.230.680.900.850.520.500.340.711.001.001.00注：Hit为第i计算

10、段顶部截面至地面的高度，m（见图7-74）；H为塔设备总高度，m（见图7-74）。塔设备迎风面的有效直径Dei塔设备迎风面有效直径D:该段所有受风构件迎风面宽度总和。ei当笼式扶梯与塔顶管线布置成180时(7-21)D=D+25+K+K+d+25eioisi340pi当笼式扶梯与塔顶管线布置成90时，D取下列两式中的较大值。ei(7-22)D二D+25+K+Keioisi34D二D+25+K+d+25eioisi40pi风弯矩计算将塔设备沿高度分为若干段，则水平风力在任意截面处的风弯矩为(图7-74所示)Mi-1=plr+pWi2i+1l+*i+pi+2l+l+*ii+1+pnl+l+l+ii

11、+1i+2(7-23)地震载荷纵向波一引设备纵向振动，危险性一般不考虑,地震波|只有地震烈度为8或9度地区才考虑、横向波一引设备水平方向振动,危险性T,考虑由设备水平方向震动f计算出地震力。1地震力计算水平地震力：地震时地面运动对于设备的作用力。a.单质点体系:F=amgp(7-24)式中：m集中于单质点的质量，kg;p地震影响系数，根据场地土特性周期及塔自振周期由图-76确定。图7-76中曲线下降段部分，按(7-25)式计算；图7-75单质点体系的地震力图7-76地震影响系数a值(t丫(7-25)耳a2max式中：T特征周期，按场地土的类型及震区类型由表7-9确定;ga地震影响系数的最大值，

12、如表7-10所示。max衰减指数，根据塔的阻尼比按式（7-26）确定Y=0.9+0.05-g0.5+g(7-26)阻尼调整系数，按式（7-27）计算0.05-g0.06+1.7ga=耳0.2丫一耳-21(T-5T)lagmax(7-27)7-28)式中：耳调整系数，按式（7-29）计算1ni=0.02+(0.05-g)/8(7-29)设计地震分组场地土类型IIIIII第一组0.250.350.450.65第二组0.300.400.550.75第三组0.350.450.650.90表7-9场地土的特性周期TgI类场地土：坚硬场地土II类场地土：中硬场地土III类场地土：中软场地土W类场地土：软弱

13、场地土设防烈度789表7-10地震影响系数a的最大值amax0.08(0.12)0.16(0.24)0.32注:括号中数值分别用于GB50011-2001中规定的设计基本加速度为.15g和0.3g的地区。b.多质点体系：图7-77对于多质点体系，具有多个振型。根据振型迭加原理，可将多质点体系的计算转换成多个单质点体系相迭加。对于实际塔设备水平地震力的计算，可在前述单质点体系计算的基础上，为考虑振型对绝对加速度及地震力的影响，引入振型参考系数Y工mY(7-30)kii叶=Iky厶mY2iii=1塔设备的第一振型曲线可以近似为式(7-8)所表示的抛物线。将式(7-8)代入耳可得相应于第一振型的振型

14、参考系数耳kk1h1.5ymh1.5kii耳=i=(7-31)ymh3iii=1因而，第k段塔节重心处(k质点处)产生的相当于第一振型(基本振型)的水平地震力为:F=aqmg(7-32)k11k1k式中：a对应于塔器基本固有周期T1的地震影响系数值;1h第k段塔节的集中质量mk离地面的距离，m；km第k段塔节的集中质量(见图7-77)，kg；k实际上，塔设备是一多质点的弹性体系，如图7-77。00垂直地震力在地震烈度为8度或9度的地区，考虑垂直地震力的作用。一个多质点体系见图7-78，在地面的垂直运动作用下，塔设备底部截面上的垂直地震力为(7-33)F0-0=amgVVmaxeqVmax图7-

15、78多质点体系的垂直地震力式中：a垂直地震影响系数的最大值，取a二0.65aVmaxmaxmeq塔设备的当量质量，取，m=0.75mkg；eq0塔设备操作时的质量，kg。123塔任意质点i处垂直地震力为：(7-34)Fi-i=mihiFo-o(i=1,2,3,n)VmhVkkk=12地震弯矩基本振型的ME1：在水平地震力的作用下，塔设备的任意计算截面-I处，基本振型的地震弯矩为(7-35)Mi-1=F（h-h）E1k1kk=i对等直径、等壁厚的塔,质量沿塔高是均匀分布,如图7-71所示在距离地面高度为x处，取微元dx,则质量为mdx,其振型参考系数为TOC o 1-5 h zh1.5JHmh1

16、.5dhh1.5耳=1.6k HYPERLINK l bookmark86 o Current Document k1JHmh3dhH1.50则水平地震力dFk1为dF=amg1.6k11k设任意计算截面I-I距地面的高度为h（见图7-77）,基本振型在I-I截面处产生的地震弯矩为Mi-i=JH(x-h)dF=JH1.6amgxi.5(x-h)dx(7-36)E1hk1hH1.5=1(10H3.514hH2.5+4h3.5)175Hi.5当h=0时,即塔设备底部截面0-0处,由基本振型产生的地震弯矩为(7-37)M0-0=16amgH2ei35i以上计算是按塔设备基本振型（第一振型）的结果。当

17、H/D15或塔设备H20m时，还必须考虑高振型的影响。理论上：分别计算第一、二、三振型下的水平地震力及地震弯矩一根据振型组合的方法一求作用于K质点处的最大地震力及地震弯矩。实际：做近似简化,按第一振型的计算结果估算地震弯矩,即(7-38)Mi-1=1.25Mi-1EE1最大弯矩确定最大弯矩时，偏保守地设为风弯矩、地震弯矩和偏心弯矩同时出现，且出现在塔设备的同一方向。但考虑到最大风速和最高地震级别同时出现的可能性很小，在正常或停工检修时取计算截面处的最大弯矩为fM+MM=we取大值（7-39）maxIM+0.25M+MEWe在水压试验时，由于试验日期可以选择且持续时间较短M二0.3M+MmaxW

18、e二、筒体的强度及稳定性校核按仅受p初算5校核筒体的轴向强度及稳定性；如不满足要求，则须调整塔体厚度，重新进行应力校核。由于地震力、风力、偏心力所产生的弯矩对周向应力影响不显著，一般不作验算。筒体轴向应力（1）（内或外压）TG彊内压拉（7-40）1145外压压ei（2）m、F（重力、垂直地震力）：g二9.8m0一1fFV-1（7-41）V22兀D5iei式中：mi-1任意截面I-I以上塔设备承受的质量，kg；0FI-I垂直地震力，仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项，N。VM(最大弯矩)TG:max3Mi-i迎风侧拉GI一I=3W背风侧压i(7-42)式中：Mi-1计算截面I-I处的最大弯矩，由式（7-39）确定，Nm；maxW计算截面I-I处的抗弯截面模量，m3。i轴向应力校核最大弯矩在筒体中引起的轴向应力沿环向是不断变化的。与沿环向均布的轴向应力相比，这种应力对塔强度或稳定失效的危害要小一些。在塔体应力校核时，对许用拉伸应力和压缩应力引入载荷组合系数K，并取K=1.2。正常操作V|内压容器:1.亠,人，_：max厶G=停工检修J拉外压容器:V内压容器:max=压外压容器:操作时G+G+GK123非操作时(G=0)G+GKg123非操作时q=0)-G+操作时G-G+G0f则必须安装地脚螺栓并进